多层式电化学气体传感监测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电化学气体传感监测装置，尤其涉及一种多层式的电化学气体传感监测装置，可用于馆藏文物保存环境质量的实时监测。
【背景技术】
[0002]近年来，随着人类工业化水平的不断提高，大气自然环境却逐渐恶化，一方面对钢铁、桥梁和建筑造成严重腐蚀和破坏，另一方面也在全球范围内引发各种呼吸道疾病，给各国人民的生产、生活带来了极大的消极影响。因此，设计出高性能、高可靠性和低成本的大气环境质量检测装备也开始成为各国科研工作者的重心。
[0003]作为腐蚀气体、有毒气体浓度监测的重要手段，电化学气体传感器因其高灵敏度、小型化、高选择性、低成本等性能成本优势而备受关注，被广泛应用于工业废气监测、汽车尾气监测、环境质量检测和生物医疗监测领域。
[0004]在复杂、潮湿的大气环境下，馆藏文物极易受到腐蚀和破坏，使国家民族文化遗产遭受不可估量的损失。鉴于此，开发出了高灵敏度、高选择性电化学气体传感器及其接口电路，该监测装置使得博物馆大气环境中PPB水平的污染气体的实时监测成为可能。但是，现有的监测系统在实际使用中仍存在以下问题:
1.博物馆内的展柜容积有限，在不影响文物展览的前提下，无法在内部安装大体积的检测设备用于气体浓度实时监测。
[0005]2.复杂、潮湿的大气环境不仅影响博物馆内的文物，而且对长时间工作的电化学气体监测设备的稳定性提出挑战。传统检测设备的电路的内部结构和功能设计相对固定，无法对失效的模拟或数字电路进行灵活更换，即部分功能电路的失效就意味着整个检测设备的失效。在对低效用的功能电路进行性能优化的便捷性上也不理想。
[0006]3.馆藏文物和野外文物会对保存环境监测设备提出了多样化的需求，例如某种仅对二氧化硫气体特别敏感的文物保存监测需要使用二氧化硫气体传感器，而另一种对多种污染气体均敏感的文物保存监测则需要多种气体传感器同时进行工作。然而，现有的检测设备不能满足这种多样化的要求。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是克服现有技术的全部或部分缺陷，提供一种多层式电化学气体传感监测装置。
[0008]为实现上述目的，本发明的第一种实施方式为单传感器的多层式电化学气体传感监测装置如下:它包括自上而下依次设置的电化学气体传感器、模拟信号调理电路板和数字信号处理电路板；所述模拟信号调理电路板包括电化学传感器偏置电路、电流-电压转换电路、低通滤波电路和放大电路，所述电化学传感器偏置电路、所述电流-电压转换电路、所述低通滤波电路、所述放大电路依次连接且水平分布；所述数字信号处理电路板包括直流电源电路、模数转换电路、微控制器电路和串行输出电路，所述直流电源电路、所述模数转换电路、所述微控制器电路、所述串行输出电路水平分布，所述模数转换电路、所述微控制器电路、所述串行输出电路依次连接，所述直流电源电路的输出端与所述数字信号处理电路板上的其他各电路的电源总线连接；所述电化学气体传感器与第一接线端子连接，所述电化学传感器偏置电路与第二接线端子连接，所述放大电路的输出端与第三接线端子连接，所述模拟信号调理电路板上的各电路的电源总线与第四接线端子连接，所述模数转换电路的输入端与第五接线端子连接，所述直流电源电路的输出端与第六接线端子连接，所述第一接线端子与第二接线端子连接，所述第三接线端子与第五接线端子连接，所述第四接线端子与第六接线端子连接。
[0009]进一步地，本发明所述微控制器电路能够将接收到的数字信号进行包括数字滤波和标度变换在内的处理。
[0010]进一步地，本发明所述电化学气体传感器能够从所述电化学传感器偏置电路获取工作偏置电压信号，且所述电化学气体传感器能够向所述电化学传感器偏置电路发送被测气体浓度的模拟电流信号；所述电化学传感器偏置电路、所述电流-电压转换电路、所述低通滤波电路和所述放大电路能够依次对所接收的被测气体浓度的模拟电流信号进行调理而得到模拟电压信号；所述模数转换电路能够将接收到的模拟电压信号进行模数转换而得到数字信号；所述微控制器电路能够将接收到的数字信号进行包括数字滤波和标度变换在内的处理，所述串行输出电路能够将所接收到的信号输出。
[0011]进一步地，本发明所述模拟信号调理电路板还包括带阻滤波电路，所述电化学传感器偏置电路、所述电流-电压转换电路、所述低通滤波电路、所述带阻滤波电路、所述放大电路依次连接且水平分布。
[0012]进一步地，本发明所述数字信号处理电路板上的串行输出电路同时设置有串口通讯接口和RS485总线通讯接口。
[0013]本发明的第二实施方式为多传感器的多层式电化学气体传感监测装置，它包括数字信号处理电路板和两个以上浓度-电压转换功能单元；每个所述浓度-电压转换功能单元包括自上而下依次设置的电化学气体传感器和模拟信号调理电路板；各所述模拟信号调理电路板包括电化学传感器偏置电路、电流-电压转换电路、低通滤波电路和放大电路，所述电化学传感器偏置电路、所述电流-电压转换电路、所述低通滤波电路、所述放大电路依次连接且水平分布；所述数字信号处理电路板包括直流电源电路、多路开关电路、模数转换电路、微控制器电路和串行输出电路，所述直流电源电路、所述多路开关电路、所述模数转换电路、所述微控制器电路、所述串行输出电路水平分布，且所述多路开关电路、所述模数转换电路、所述微控制器电路、所述串行输出电路依次连接；所述直流电源电路的输出端与所述数字信号处理电路板上的其他各电路的电源总线连接；各所述电化学气体传感器与一个第一接线端子连接，各所述电化学传感器偏置电路与一个第二接线端子连接，各所述放大电路的输出端与一个第三接线端子连接，每个所述模拟信号调理电路板上的各电路的电源总线与一个第四接线端子连接；同一个浓度-电压转换功能单元中的所述第一接线端子和所述第二接线端子相互连接；每个所述浓度-电压转换功能单元中的所述第三接线端子与一个第五接线端子连接，各所述第五接线端子分别与所述多路开关电路的一个输入端连接；每个所述浓度-电压转换功能单元中的所述第四接线端子与一个第六接线端子连接，各所述第六接线端子分别与所述直流电源电路的输出端连接。
[0014]进一步地，本发明所述微控制器电路能够将接收到的各数字信号分别进行包括数字滤波和标度变换在内的处理。
[0015]进一步地，本发明在同一个所述浓度-电压转换功能单元中，所述电化学气体传感器能够从所述电化学传感器偏置电路获取工作偏置电压信号，且所述电化学气体传感器能够向所述电化学传感器偏置电路发送被测气体浓度的模拟电流信号；所述电化学传感器偏置电路、所述电流-电压转换电路、所述低通滤波电路和所述放大电路能够依次对所接收的被测气体浓度的模拟电流信号进行调理而得到模拟电压信号；所述模数转换电路能够将接收到的来自各所述浓度-电压转换功能单元的模拟电压信号分别进行模数转换而得到相应的数字信号；所述微控制器电路能够将接收到的各数字信号分别进行包括数字滤波和标度变换在内的处理，所述串行输出电路能够将所接收到的各信号输出。
[0016]进一步地，本发明所述数字信号处理电路板上的串行输出电路同时设置有串口通讯接口和RS485总线通讯接口。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
(I)本发明采用将电化学气体传感器、模拟信号调理电路板和数字信号处理电路板三个功能层上下分开布置的结构，且层与层之间采用方便拆装的接线端子连接方式。当需要对本发明检测装置的模拟信号调理性能或数字信号处理性能进行完善，抑或对其中的一个或多个功能层进行故障检修时，可根据实际需要，单独将模拟信号调理电路板或数字信号处理电路板取出，对取出的电路板上的电路中的器件进行更换或增加新的电路(例如，在模拟信号调理电路板上增加带阻滤波电路)，从而选择性地对低效的功能层内的电路进行性能完善、升级或检修。因此，本发明可区分不同的功能，有针对性地对其中的一个功能层进行检修、更换、丢弃或灵活升级，并不会破坏其他功能层，不会造成整个检测装置的失效。
[0018](2)在本发明电化学气体传感监测装置的各实施方式中，由于模拟信号调理电路板和数字信号处理电路板上的各电路水平分布，互不重叠，使得每一个电路板上的各电路均可视化，可以很方便地对其中的某一个或某几个目标电路中的电阻、电容等器件进行更换而不破坏其他无需处理的电路，从而方便地改变目标电路的电路参数，在不破坏其他电路的情况下有效地改善整个电路板的整体性能。
[0019](3)本发明整个监测装置的各功能层采用上下的层式结构，最大程度地减小了装置的尺寸，且结构紧凑简单，适用于体积较小的文物展览柜内环境的实时监测。
[0020](4)本发明的各个功能层之间使用接线端子连接以实现功能层之间的数据交换，不仅拆装方便，而且使设置于数字信号处理电路板上